1. 과급 시스템의 종류

엔진은 흡입되는 공기량이 많으면 그것만으로 연소시키는 것이 가능하며, 큰 출력을 얻는 것이 가능하다. 공기를 엔진에 보다 많이 압축해 넣음으로 하여 적은 배기량으로 큰 출력을 얻도록 하는 것이 과급시스템이고, 과급기의 Type에 따라 Turbo Charger나 Super Charger로 나뉘어진다.

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엔진의 출력과 토-크를 올리려 할 때의 기본은 『어떻게 많은 산소를 엔진에 흡입해 넣도록 하는가』이다. 요컨대 흡입되는 공기의 밀도가 높고, 양이 많다면, 그것만으로 많은 연료를 연소하는 것이 가능, 출력도 토-크도 커지게 된다.

거기에 흡배기계 및 연소실을 개선하여, 적지만 많은 공기를 들이도록 한다는 뜻이지만, 제일 손쉬운 것이 『공기를 강제적으로 압축해 넣는다』라는 방법으로, 이것을 수행하는 엔진 보조장치가 과급기이다.

과급기는 영어로 Super Charger로 불리고, 몇 개인가의 Type이 있지만, 현재 배기 터빈으로 과급기를 구동하는 Turbo Charger와 엔진의 동력 일부 (크랭크샤프트의 회전) 을 사용하여 과급기를 기계적으로 구동하는 Super Charger가 주류이다. Super Charger에 두가지의 의미가 있어 혼동하기 쉽지만, 일반적으로는 기계구동식의 것을 이렇게 부르는 것이 많다.

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Turbo Charger는 정식으로는 배기 터빈구동식 과급기로 부르고, 엔진으로부터 배출되는 가스의 세력을 이용하여 터빈을 회전시켜 같은 회전축에 취부되어 있는 Compressor에 의해 공기를 압축하여 실린더에 보내는 시스템이다. 작은 장치를 붙히는 것만으로 엔진의 출력이 대폭으로 증가하지만, 엔진회전이 낮을 때 배기 에너지가 적어, 터빈 회전을 순식간에 올리는 것이 가능하지 않아 회전의 상승이 지연되는 경향이 있다. 이 때문에 엑셀 페달을 밟아도 곧 회전이 올라가지 않아, 소위 엔진의 Response가 나빠지는 것이 있어 이것은 Turbo Lag로 불리어지고 있다. Lag라고 하는 것은 시간의 어긋남, 지연이라는 것이다.

기계구동식 과급기의 Super Charger는 크랭크샤프트로부터 기어, 벨트로 구동되어 엔진회전에 비례하여 회전하고 Response가 좋다. 그러나, 특히 저속회전에서 Rotor와 Housing의 틈새로부터 새는 공기량이 많아 효율이 나빠지는 것과, 회전수가 커지게 됨에 따라 동력손실이 커지게 되는 것이 결점이다. 이런 과급기의 단점을 Cover할 목적으로 시스템의 구조를 변경하거나, Turbo Charger와 Super Charger를 조합하는 등 여러 가지의 과급시스템이 개발되고 있다.

즉, 이러한 과급기 부착엔진에 대해서 과급기가 없는 보통의 엔진을 자연흡기엔진, 영어로 Naturally Aspirate Engine으로 부르고, 그 앞 문자를 따서 NA 엔진이라고 부른다.

 

 2. Turbo Charger

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터보챠저는 배기의 힘으로 터빈을 회전시키고 그 회전력으로 흡기를 압축시켜 실린더에 보내어 출력을 높이는 장치이다. 보다 많은 혼합기를 연소시킬 목적도 있지만, 고온의 배기를 이용하는 것으로부터 열을 어떻게 컨트롤할까가 중요한 시스템이다.

터보챠저는 터보(터빈)과 수퍼챠저(과급기)를 합성하여 만든 단어로, 터빈과 여기에 직결된 컴프레서(공기압축기)로 되어 있어 배출가스의 에너지로 터빈휠을 회전시키고, 컴프레서에 의해 흡입된 공기를 압축하여 실린더에 보낸다.

터보챠저의 본체는 블레이드(羽根)에 붙은 터빈휠과 컴프레서휠을 축에 연결하고, 각각을 하우징에 포함시킨 간단한 구조의 것으로, 배기 매니폴드 집합부의 근방에 붙어 있다.

에어클리너로 먼지를 제거한 공기는 터보챠저에 도입되어 컴프레서로 압축된 뒤 공기온도가 올라가기 때문에 인터쿨러로 냉각되어 스로틀밸브를 경유하여 엔진에 들어간다. 배출가스는 터보챠저에 보내져 터빈휠을 회전시키지만, 휠의 회전에 따라 과급압이 그다지 높지 않도록 사전에 생성된 압력이상이 되면 WASTE GATE VALVE (배기 바이패스 밸브) 로 불리는 밸브가 열려져 여분의 배기를 피하도록 되어 있다.

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터보가 붙은 많은 OHC 및 DOHC 엔진은 크로스 플로로 되어 있는 것이 보통으로 실린더 헤드의 한 방향으로부터 혼합기를 넣어 타 방향으로부터 배출되기 때문에 공기는 일단 배기측의 터보챠저에 도입되어 그곳으로부터 흡기측에 모여 있을 뿐이므로, 도중에 인터쿨러도 붙게 되면 엔진룸내는 에어 튜브로 가득하게 된다.

터빈휠은 최고 900℃라는 고온의 배기가스로 가득한 상태로 1분간에 10만∼16만회의 고속으로 회전하므로, 대단히 가볍고 열에 강한 재료가 사용되고, 세라믹을 채용한 것도 있다. 작고 가벼우면 관성력이 그것만으로도 작아져서 터보래그가 적어져서 엔진 회전의 상하 반응은 좋아지지만, 고속회전시의 과급압도 작아진다. 커지게 되면 역현상이 발생할 뿐이므로, 엔진의 배기량에 알맞은 크기의 것이 선정되고 있다. 컴프레서휠은 알루미늄으로 조성되어 있는 것이 보통이다.

두 개의 휠을 연결한 로터샤프트는 고온으로 된 터빈휠을 지지하여 초고속으로 회전하므로 엔진오일을 다량으로 보내어 냉각과 윤활을 동시에 행한다. 고속으로 회전하고 있는 엔진을 급히 중지하면, 이 부분이 과열하여 소착되는 것이 있다. 터보 엔진을 잠깐 아이들링하여 중지하는 쪽이 좋은 것은 이 때문이다.

 

 3. 과급압과 압축비

 

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과급기에 의해 엔진에 공급되는 공기의 압력을 과급압(Boost압)이라고 한다. 이 압력이 높아지게 됨에 따라 실린더에 흡입되는 공기량이 많아지게 되고, 연소 가능한 연료량이 증가하여 출력이 높아지게 된다. 그렇다고 해서 부스트압을 어디까지라도 올릴 수 있는 것은 아니다. 부스타압을 올리게 되면 실압축비가 올라가게 되어, 어떤 지점에서 노킹이 일어날 수 있기 때문이다. 실압축비는 실제로 실린더에 흡입된 공기가 어디까지 압축되었는지를 표시하는 수치이이서, 흡입된 공기량에 비례하여 커지게 된다.

노킹은 스파크플러그의 불꽃에 의해 압축된 혼합기의 연소가 시작되어, 화염이 확대되고 있을 때, 최후로 연소될 엔드존에 있는 가스가 그 압력과 온도에 견디기 어려울 정도로 충격파를 동반하는 폭발적인 연소를 하는 현상이다. 그러므로, 압축비가 높아져서 혼합기의 온도가 올라간 만큼 연소실 벽의 온도가 올라가게 되고, 게다가 가스의 유동이 늦어진 만큼 노킹이 일어나기 쉽다.

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녹센서로 노킹의 발생을 감지하여 점화타이밍을 적정하게 하는 녹센서 제어 시스템은 터보엔진에 필수불가결한 장치이다.

노킹이 발생하기 직전의 연소실은 혼합기가 최고로 연소하기 쉬운 상태에 있어, 노킹을 이용하여 이 상태를 만든 것이다.

이 때문에 터보 엔진은 압축비가 NA엔진보다도 작도록 만들어져 있다. 예를 들면, 외관 압축비가 10인 엔진은 1기압으로 과급하게 되면, 공기량은 2배로 되어 실압축비는 20으로 되어버리고, 갑자기 노킹이 발생하고 만다. 거기에다 외관 압축비를 작게 하면, 최고출력을 내는 엔진회전수도 어느 정도의 회전에 묶여버리게 된다. 시판되는 터보 엔진의 압축비는 출력·토-크·연비가 균형을 이룬 NA엔진보다 낮게 되어 있는 것이 보통이다.

노킹은 NA엔진의 경우와 같이 그 발생을 검지하여, 점화시기를 지각시킴에 의해 방지하는 것이 가능하지만, 터보 엔진은 부스트압의 영향을 크게 받기 때문에 진각장치와 같이 간단한 장치로 점화시기를 제어하는 것은 어렵다.

한편, 압축된 혼합기는 노킹이 발생되기 직전 상태에서 최고로 화염속도가 빨라져서 이때 출력, 연비와 함께 최상의 상태로 있다. 그래서 노킹이 발생할 때의 『낀-낀』이라는 충격음을 검지하여 컴퓨터에 의해 점화시기를 필요한 만큼 지각시키는 장치가 개발되었다. 이 진동을 검지하는 센서를 녹센서라고 한다.

녹센서는 7 kHz 부근의 진동을 전기신호로 변환시키는 장치로, 이것은 인테이크 매니폴드 및 실린더 블록 등에 취부하여 엔진 회전 및 크랭크각, 흡입공기량 등의 신호와 함께 컴퓨터로 처리하여 노킹 방지 목적으로 점화시기를 제어한다.

 

 4. 터보 래그

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터보 챠저는, 엔진의 기본인 『어떻게 많은 공기를 흡입하는가』를 달성할 목적으로 공기를 실린더에 눌러 넣는 장치이다. 피스톤이 내려갈 때의 부압에 의해 공기가 흡입되고, 흡기 관성 등을 이용하여도 충진 효율이 65∼95% 정도인 NA엔진에 대해서, 터보 챠저는 같은 배기량 엔진의 1.2∼1.5배의 공기를 넣어 그것에 맞는 토크를 발생하므로, 차량에는 같은 동력 성능으로 좋다면 작은 엔진을 적재하는 것이 가능한 것으로 된다. 그러나, 터보 래그 라고 하는 약점이 있다.

터보 래그는, 액셀 페달을 밟아 스로틀 밸브를 열었을 때, 실린더에 흡입되는 공기량이 단숨에 증가하지 않고, 스로틀 밸브의 열리는 형편에 맞는 양의 공기가 실린더에 들어오는 식으로 되기까지에 시간이 걸리는 현상으로, 특히 발진, 가속하여 갈 때 및, 천천히 주행하고 있는 상태로부터 가속하여 갈 때에 걱정이 되는 것이 많다.

이 현상이 일어나는 경과라고 하면, 우선 스로틀 밸브를 열면 흡입 공기량이 증가하고, 연소 가스가 증가하여 그 온도가 올라간다. 그러면 이 연소 가스에 의해 터빈의 회전이 올라 가서 컴프레서가 보내는 공기량이 증가한다. 이에 따라 흡입 공기량이 증가하고 ...... 라고 하는 뜻으로, 이 사이클이 일정 상태로 되는 데에 몇초인가의 시간이 걸린다는 것이다.

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그래서 터보 챠저는, 이 터보 래그를 작게 할 목적으로, 여러 가지 연구가 이루어지고 있다. 예를 들면 비교적 간단한 방법으로서 터빈 휠에 불어 넣는 배기 속도를 올리는 것이 고려된다. 배기가 불어 나가는 노즐을 작게 하면, 동일 배기량으로 가스는 기세좋게 분출하므로 터보 래그는 작게 된다. 그러나 이렇게 하면 최고 출력은 작게 된다고 하는 문제가 나오게 된다.

큰 터빈 휠 1개 대신에 작은 터보를 2개 붙이면 터보 래그를 작게 하는 것이 가능하다. 예를 들면 6기통 엔진이라면 3기통씩 나누어 2개의 터보를 붙인다. 이렇게 하면 배기 간섭을 방지함과 동시에 파워 업도 가능하다. 이 방식은 트윈 터보 방식이라고 불린다. 또 투웨이 트윈 터보 방식은 같은 식으로 2개의 터보를 사용하지만, 회전이 낮은 곳에서는 한 개의 터보만을 구동하여 리스펀스를 좋게 하고, 고회전에서는 양쪽을 사용하여 토크를 번다. 더욱 더 터보 래그가 큰 저속시에는 수퍼 챠저를 사용하여, 고속에서는 터보 챠저를 사용한다고 하는, 양쪽의 좋은 점을 이용하는 하이브리드 터보 방식도 있다.

 

 5, 과급시스템과 열

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과급기가 붙은 엔진은 노킹이 발생하기 어렵도록, 특히 실린더 헤드 주변에 냉각수가 충분히 흐르도록 연구되고 있다. 또 터보 챠저의 터빈 샤프트에는 윤활과 동시에 냉각도 행하기 위해서, 다량의 엔진 오일이 공급된다. 이 때문에, 터보 엔진도 엔진 오일의 열화가 NA엔진보다 빠르다.

뭐니 해도, 과급 시스템은 많은 혼합기를 연소하므로 연소실의 온도가 높게 되는 것은 피하지 못한다.

또 터보 챠저는 배기 에너지를 이용하여 과급을 행한다는 뜻이므로, 배기 온도가 높은 만큼 과급 효율은 좋은 것이므로, 예를 들면 배기 밸브를 나트륨을 넣는다든지, 배기 매니폴드를 스테인레스로 한다든지 등 부품 내열성을 올려, 과급기 자신도 내열성이 좋은 재료를 사용하여 성능을 향상시키는 수단이 취해지고 있다.

한편 엔진에 들어가는 쪽의 공기라고 하면, 이것은 가능한 한 온도가 낮은 쪽이 바람직하다. 공기 밀도는 온도가 높은 만큼 작게 되므로, 동일 용적이라면 온도가 높은 만큼 실압축비가 작게 되므로, 함유하고 있는 산소량이 작게 되기 때문이다. 또 흡기 온도가 높으면, 압축된 후의 혼합기 온도도 그만큼 높아져 노킹이 발생하기 쉽게 된다.

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자동차의 타이어에 공기를 넣을 때 펌프를 접촉시켜 보면 알 수 있듯이, 공기를 압축하면 뜨거워진다. 과급기로 공기를 압축하는 것과 같은 식으로 발열하여, 공기 온도가 높게 되므로, 과급 효과가 그만큼 작게 되어 버린다. 그래서 과급기를 지나 압축되어 뜨거워진 공기를, 스로틀 밸브에 갈때까지의 사이에 방열기를 통해서 냉각시킨다. 이 장치가 인터쿨러로, 여기에는 공랭식과 수냉식이 있다.

공랭식 인터쿨러는 인터쿨러에 직접 외기를 닿게 해서, 주행에 따라 차량이 받는 바람을 이용하여 흡기 온도를 내리는 방식으로, 인터쿨러는 라디에이터 앞 및 횡 등 바람에 잘 닿는 장소에 붙어 있다. 구조는 라디에이터와 대략 같고, 냉각수 대신에 과급기로 압축된 공기가 흐르고 있다는 뜻이다.

수냉식 인터쿨러는 압축되어 뜨거워진 공기를, 엔진 냉각수와는 별개로 설치된 냉각 계통으로, 냉각수에 의해 냉각하는 방식이다. 물은 공기에 비해 열용량이 크므로, 공랭식은 보다 작은 장치로 냉각 효과를 올리는 것이 가능하지만, 부품이 많아져서 코스트 및 메인터넌스 상은 불리하다.

 

 6. 수퍼 차저

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수퍼 챠저는 엔진의 동력으로 블러어 및 컴프레서를 구동하여 과급을 행하는 것으로, 터보 챠저에 비교하여 저속으로부터 높은 토크가 얻어지고, 터보 래그와 같은 응답 지연이 거의 없다고 하는 특징이 있다. 그러나, 수퍼 챠저를 구동하는 동력은 크랭크샤프트의 회전을 이용하므로, 그만큼 출력 손실이 있다. 그 때문에 최고 출력이라고 하는 점에서는 불리하다.

수퍼 챠저에는 몇 개인가의 종류가 있지만, 루츠 블러어 (Roots Blower) 와 리숄므 컴프레서 (Lysholm Compressor) 가 잘 알려져 있다.

루츠 블로어는 이전부터 자동차용으로서 사용되고 있고, TOYOTA MR2의 4A-GZE 등에 채용되고 있다. 과급의 제어는 컴퓨터에 의해 행해지고, 가속할 때 및 고속 주행을 행할 때 등 고출력이 필요한 때에만 작동하도록 되어 있다.

루츠 블로어의 구조는, 타원형 하우징 사이에, 특수한 수지를 코팅한 알루미늄 제의 누에 고치 형상을 한 로터를 2개 넣어 회전시켜, 한쪽으로부터 넣은 공기를 다른 쪽으로 송출하도록 되어 있다. 과급압은, 필요 이상으로 높게 되면, 밸브가 열려 과급기 일부를 함께 되돌림에 의해 컨트롤하고 있다.

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리숄므 컴프레서는 그것까지 산업용으로서 사용되었지만, 자동차에는 채용되고 있지 않았던 것을, 마쯔다의 미라 사이클 엔진용으로서 개량한 것이다. 그 구조는, 각각 3매와 5매의 스크류와 같이 비틀린 날개를 가진 2개의 로터를 조합하여, 누에고치 형상의 단면을 가진 하우징 사이에 넣은 것으로, 엔진으로부터 V벨트로 구동된다. 로터는 테프론 계의 수지를 코팅한 알루미늄 합금으로 만들어지고 있고, 이것을 회전시키면, 한쪽으로부터 들인 공기는 공기에 끼워져, 다른 쪽으로 이동함에 따라 공간이 조금씩 협소해져 가고, 압축되어 나간다고 하는 구조로 되어 있다. 그 결과, 흡기는 최고 2배까지 압축된다.

공히 수퍼 챠저는, 그 명칭으로부터 알 수 있는 바와 같이, 루츠 블로어는 송풍기이고 컴프레서는 아니다. NA엔진은, 피스톤이 내려갈 때의 부압에 의해 흡입될 뿐인 실린더에, 블로어에 의해 공기를 적극적으로 보내버림에 따라 충진 효율을 높이는 장치이다. 여기에 대해 리숄므 컴프레서는 압축기이고, 터보 챠저와 같은 식으로 압력을 높인 공기를 보내 버리는 것에 그 특징이 있다.